DE2253489C3 - Thyristor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper aus Silicium mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, einer ersten Emitterzone, einer ersten Basiszone, einer zweiten Basiszone und einer zweiten Emitterzone, mit im Halbleiterkörper eingebauten Goldatomen, mit einer Steuerelektrode auf der ersten Basiszone und mit einer ersten Emitterelektrode auf der ersten Emitterzone und einer zweiten Emitterelektrode auf der zweiten Emitterzone.

Thyristoren, deren Halbleiterkörper mit Gold dotiert sind, sind als sogenannte schnelle Schaltthyristoren bekanntgeworden. Schnelle Schaltthyristoren weisen kleine Freiwerdezeiten auf und werden vorzugsweise in sogenannten Chopper-Schaltungen verwendet Die im Halbleiterkörper vorhandenen Goldatome bilden Rekombinationszentren für die im Halbleiterkörper vorhandenen freien Ladungsträgerpaare. Der durch die freien Ladungsträgerpaare bedingte, nach Sperren des Thyristors weiterfließende Strom oder der nach Anlegen einer Spannung in Sperrichtung fließende

ίο Rückstrom klingt damit sehr schnell ab.

Ein spezielles Anwendungsbeispiel einer Chopper-Schaltung ist in den sogenannten lichtmengengesteuerten Elektronenblitzgeräten zu finden. Diese Geräte weisen im wesentlichen einen Kondensator hoher Kapazität auf, der sich über eine Blitzröhre und einen Thyristor entlädt Wird an den Thyristor ein Steuerimpuls angelegt so fließt ein Strom durch die Blitzröhre. Ihr Licht fällt auf den zu beleuchtenden Gegenstand, der je nach Entfernung und Reflexionsgrad einen bestimm ten Anteil des ausgesendeten Lichtes reflektiert. Das reflektierte Licht wird von einer Fotozelle aufgefangen. Ist eine bestimmte Lichtmenge ausgesandt worden, so muß die Blitzröhre wieder gelöscht werden. Dies geschieht durch Sperren des erwähnten Thyristors.

Dieser wird seinerseits durch den Entladestrom eines zweiten Kondensators gelöscht. In Reihe mit dem zweiten Kondensator liegt ein Löschthyristor, der so geschaltet ist, daß der Entladestrom des zweiten Kondensators den ersten Thyristor in Sperrichtung durchfließt. Dieser Entladestrom muß größer sein als der Blitzstrom. Er muß außerdem für eine Zeit aufrechterhalten werden, die mindestens so lang wie die Freiwerdezeit des ersten Thyristors ist. Wird diese Bedingung eingehalten, so geht der Thyristor in den

Zustand hoher Impedanz in Durchlaßrichtung über.

Bei modernen lichtmengengesteuerten Blitzgeräten werden an den e^psten Thyristor hohe Anforderungen gestellt. So ist der Thyristor in erster Linie einer hohen Stoßbelastung zwischen 300 und 400 A ausgesetzt. Bei einer Kondensatorspannung von etwa 400 V liegt die Scheitelverlustleistung bei über 1 kW und die Schaltleistung bei über 100 kW. Diese Leistungen sind mit herkömmlichen Thyristoren bisher gut beherrschbar gewesen. Bei den modernsten Blitzlichtgeräten wird jedoch ein Blitzabstand von 1 s und darunter verlangt. Darüber hinaus besteht die Bedingung, daß die zum Löschen des ersten Thyristors benötigte Energie möglichst gering sein muß, da für den Löschkondensator, im allgemeinen kein Elektrolytkondensator verwen- det werden kann. Der Löschkondensator kann daher keine größere Kapazität als 5 und 10 μΡ haben. Der Entladestrom des Löschkondensators muß aber anderseits größer sein als der Scheitelwert des durch den ersten Thyristor fließenden Blitzstroms. Das bedeutet jedoch bei den üblichen Schaltungen, daß der Löschstrom maximal 10 μβ zur Verfügung steht. In dieser Zeit muß der erste Thyristor gelöscht sein. Das heißt, daß für den genannten Thyristor Freiwerdezeiten verlangt werden, die kleiner als 10 με, ζ. Β. 7 μβ sind.

Es ist nun bekannt, daß die Freiwerdezeit eines Thyristors mit steigender Sperrschichttemperatur zunimmt. Dies hat seinen Grund darin, daß das Gleichgewicht Ladungsträgerpaarerzeugung zu Rekombination bei höherer Temperatur stark in Richtung auf die Erzeugung von Ladungsträgerpaaren verschoben wird. Damit tendiert die Freiwerdezeit des Thyristors nach höheren Werten. Als besonders erschwerende Bedingung kommt noch hinzu, daß für

einen Kühlkörper bei den modernen kleinen lichtmengengesteuerten Blitzlichtgeräten kein Platz vorhanden ist Auch der Thyristor muß möglichst klein sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs erwähnten s Gattung so weiterzubilden, insbesondere die Freiwerdezeit und die die Verlustleistung beeinflussende Durchlaßspannung so aufeinander abzustimmen, daß der Thyristor auch bei der dichtesten Blitzfolge mit der in einem Kondensator geringer Kapazität enthaltenen Energie unter allen Betriebsbedingungen sicher gelöscht werden kann, und zwar auch dann, wenn kein Kühlkörper verwendbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der genannte Thyristor derart ausgebildet, daß der Halbleiterkörper 150 bis 200 μπι dick ist, daß die zweite Basiszone eine Dicke von 70 bis ΙΙΟμπι und einen spezifischen Widerstand von größer als 6 Ohm cm aufweist, daß die maximale Dotierungskonzentration der ersten Basiszone 10^le bis 10¹⁹ cm-³ und die Konzentration in der ersten Emitterzone an der von der zweiten Basiszone abgewandten Seite 5χ 10¹⁹ bis 5x 10²⁰ cm-^J ist, daß in der zweiten Basiszone 10¹⁴ bis 10¹⁵ Atome cm¹ Gold eingebaut sind und daß mit der ersten und der zweiten Emitterzone je eine Metallschicht oder eine Metallscheibe verbunden ist, die mindestens so dick wie der Halbleiterkörper ist.

Aus dem Buch von F. E. G e η t r y »Semiconductor Controlled Rectifiers« ist es zwar bekannt, bei Thyristoren mit Hilfe von Golddotierung Rekombinationszentren im Halbleiterkörper zu schaffen. Aus der USA.-Patentschrift 34 03 309 ist es auch bekannt, mit der ersten und zweiten Emitterzone je eine Metallschicht zu verbinden. Über die Dicke der Metallschicht ist der USA.-Patentschrift jedoch explizit nichts zu entnehmen. Der Thyristor ist außerdem nicht mit Gold dotiert.

Zweckmäßigerweise können mit den Emitterelektroden je eine Scheibe aus Silber, Kupfer, Eisen oder einem anderen gutleitenden Metall durch Anlegieren oder Löten verbunden sein. Vorteilhaft ist es, wenn auf die erste Emitterelektrode und die Steuerelektrode eine Schicht Lotmetall aufgebracht ist. Diese Schicht kann etwa 300 μιτι dick sein. Ein Thyristor mit einer Metallschicht auf der ersten Emitterelektrode kann nach dem Dotieren des Halbleiterkörpers dadurch hergestellt werden, daß die erste Emitterelektrode und die Steuerelektrode eine einzige Scheibe aus Lotmetall aufgelegt wird, daß diese Scheibe Ausnehmungen aufweist, die die Fläche zwischen Steuerelektrode und Emitterelektrode teilweise frei lassen, so daß der auf der Emitterelektrode und Steuerelektrode liegende Teil der Scheibe nur durch schmale Stege miteinander verbunden ist, und daß die Scheibe auf die Schmelztemperatur erhitzt wird.

Ein Anwendungs- und zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild eines lichtmengengesteuerten Blitzgerätes,

F i g. 2 die perspektivische Ansicht eines Halbleiterelementes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

F i g. 3 den Querschnitt durch das gleiche Halbleiterelement,

Fig. 4 die Aufsicht auf ein Halbleiterelement mit einer aufgelegten Scheibe aus Lotmetall vor dem Erhitzen und

Fig. 5 die perspektivische Ansicht eines Halbleiterelementes gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Die Prinzipschaltung nach F i g. 1 besteht im wesentlichen aus einem Thyristor 1, der über eine Blitzröhre 2 mit einem Elektrolytkondensator 3 verbunden ist Dieser Elektrolytkondensator wird über die Klemme 4 und S auf etwa 400 V aufgeladen. Parallel zum Thyristor 1 liegt eine Reihenschaltung aus einem Löschkondensator 6 und einem Löschthyristor 7. Die Widerstände des Löschkreises sind durch einen Widerstand 8 symbolisiert

Soll ein Blitz ausgelöst werden, so wird der Thyristor 1 in den Durchlaßzustand geschaltet Damit liegt fast die gesamte Kondensatorspannung des über die Klemmen 4 und 5 aufgeladenen Kondensators 3 an der Blitzröhre 2, die dann gezündet wird. Hat der zu beleuchtende Gegenstand eine bestimmte Menge Licht reflektiert so wird der Löschthyristor 7 über eine fotoempfindliche, hier nicht gezeigte Einrichtung gezündet Dann fließt der Entladestrom des Lösch kondensator 6 entgegen dem Entladestrom des Kondensators 3 durch den Thyristor 1. Der Thyristor 1 geht in den Zustand hoher Impedanz über, wenn der Strom des Löschkondensators höher ist als der Strom durch den Thyristor 1 und länger fließt als die Freiwerdezeit des ersten Thyristors beträgt. Der Löschstrom steht hierbei, wie eingangs erwähnt, nur etwa 10 μβ zur Verfügung. Die Freiwerdezeit des Thyristors 1 muß daher wesentlich kleiner als ΙΟμβ,ζ. Β. 7 μ5 5βϊη.

Das Halbleiterelement nach Fig.2 besteht im wesentlichen aus einem Halbleiterkörper H) mit einer ersten Emitterzone 11, einer ersten Basiszone 12, einer zweiten Basiszone 13 und einer zweiten Emitterzone 14. Die erste Emitterzone 11 weist eine Metallschicht 17 auf, die mit einer Zuführungselektrode 19 verbunden ist Die erste Basiszone 12 weist im Zentrum des Halbleiterkörpers 10 eine Metallschicht 16 auf, die mit einer Zuführungselektrode 18 verbunden ist Die zweite Emitterzone 14 ist mit einer Metallscheibe 15 versehen, die eine Zuführungselektrode 20 aufweist.

Die Dicke des Halbleiterkörpers, der aus Silicium besteht, beträgt 150 bis 200 μηι. Die zweite Basis, die η-dotiert ist, weist eine Dicke zwischen 70 und 110 μιτι auf und hat einen spezifischen Widerstand von größer als 6 Ohm cm, zweckmäßigerweise zwischen 10 und 16 Ohm cm. Die zweite Basis 12 und der zweite Emitter 14 sind p-dotiert und weisen am Rand eine Dotierungskonzentration von 5xlO¹⁸ bis 1x10" cm-³ auf. Die Dotierung dieser Zonen erfolgt zweckmäßigerweise mit einer Bor-Aluminium-Diffusion in einer Ampulle. Das Bor wird in bekannter Weise auf die Oberflächen des Halbleiterkörpers gebracht und bei einer Temperatur von etwa 1200° C zwischen 20 und 25 Stunden in den Halbleiterkörper eindiffundiert Die erste Emitterzone U weist eine Randkonzentration zwischen 5 χ ΙΟ¹⁹ und 5XlO²⁰, vorzugsweise 1 χ 10²⁰ cm-^J auf. Die Dotierung dieser Zone erfolgt durch die bekannte Phosphordiffusion. Dazu wird zunächst durch Oxydation der Siliciumoberfläche und anschließendes Ätzen eine Maske gebildet, die eine zentrische Ausnehmung für die Steuerelektrode 16 bedeckt. Anschließend wird die obere Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 mit Phosphor belegt, was z. B. über gasförmiges Phosphoroxidtrichlorid POCl₃ bei 1150°C geschehen kann. Nach etwa 1 bis 2 Stunden Phosphorbelegung ist eine genügend dicke Schicht Phosphor auf der Oberfläche vorhanden. Anschließend wird das Phosphor etwa 10 Stunden bei ungefähr 1200°C in den Halbleiterkörper 10 eindiffundiert.

Anschließend wird die erste Emitterzone 11, die erste Basiszone 12 im Zentrum der ersten Emitterzone 11 und die zweite Emitterzone 14 mit Elektroden versehen. Diese sind in Fi g. 3 mit 21 bzw. 22 bzw. 28 bezeichnet. Diese Figur stellt einen Schnitt der Anordnung nach F i g. 2 dar. Die Elektroden werden vorzugsweise durch Vernickeln hergestellt. Anschließend wird die Nickelschicht vergoldet. Eine Goldschicht unter 1 μπι Dicke genügt hierzu. Anschließend an die Vergoldung wird auf die erste Emitterzone 11 eine Scheibe eines Lotmetalls aufgelegt, das z. B. aus 98 Teilen Blei und 2 Teilen Zinn besteht. Das Halbleiterelement wird dann auf 320⁰C erhitzt, wobei die Lotscheibe schmilzt und eine kissenförmige Metallschicht 17 bildet. Die Dicke der Metallschicht muß mindestens so groß wie die Dicke des Halbleiterkörpers, d.h. mindestens 15Gum betragen, zweckmäßigerweise wird sie jedoch z. B. 300 μΐη stark gemacht. Die Lotschicht 17 wirkt als Wärmekapazität für den Halbleiterkörper und führt die Wärme sehr schnell aus dem Halbleiterkörper ab. Damit, und mit einer aus der Festlegung der übrigen Parameter resultierenden niedrigen Durchlaßspannung ist es möglich, die Sperrschichttemperatur auch bei Impulsfolgefrequenzen in der Größenordnung von 1 s und darunter so niedrig zu halten, daß die Freiwerdezeit des Thyristors unter 10 μβ, ζ. B. bei 7 \is liegt. Die Wärmeabfuhr aus dem Halbleiterkörper wird durch die Metallscheibe 15 unterstützt. Zur Erläuterung sei hervorgehoben, daß die Dicke des Halbleiterkörpers 10 der besseren Übersichtlichkeit wegen gegenüber der Dicke der Metallschicht 17 stark vergrößert gezeichnet worden ist.

Es ist möglich, die Lotscheibe mit einer Ausnehmung zu versehen, so daß die Steuerelektrode 22 frei bleibt. Dann muß zum Anlöten der Zuführungseleklrode 18 (Fig. 2) gesondert Lotmateria! auf diese Elektrode aufgebracht werden. Dies ist relativ umständlich. Als zweckmäßig hat sich die Verwendung einer speziell geformten Lotscheibe erwiesen, die in F i g. 4 dargestellt ist. Gleiche Teile wie in Fig. 2 und 3 sind hier mit

ίο gleichen Bezugszeichen versehen. Auf den Halbleiterkörper H) ist eine Lotscheibe 25 aufgelegt, die mit Ausnehmungen 26 versehen ist. Diese Ausnehmungen lassen einen großen Teil der Fläche zwischen der Steuerelektrode 22 und der Emitterelektrode 21 frei, so

■ 5 daß hier die erste Basiszone 12 an die Oberfläche tritt. Die auf den Elektroden 21 und 22 liegenden Teile der Lotscheibe 25 werden nur durch schmale Stege 27 zusammengehalten. Beim Erwärmen der I otscheibe 25 auf die Schmelztemperatur trennt sich das Lot an den

»ο Stegen 27 auf Grund seiner Oberflächenspannung auf und zieht sich auf die Elektroden 21 und 22 zurück. Die Metallschichten 16 und 17 wölben sich dabei kissenförmig auf, wie in F i g. 2 dargestellt. Statt einer Lotscheibe kann auch eine feste Metallscheibe aus einem der Metalle Silber, Kupfer, Eisen oder einem sonstigen gutleitenden Metall auf den Halbleiterkörper 10 aufgebracht werden. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in F i g. 5 dargestellt. Die Metallscheibe ist hier mit 23 bezeichnet. Die Zuführungselektrode 19 ist mittels einer Lötung 24 an der Metallscheibe 23 befestigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper aus Silizium mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, einer ersten Emitterzone, einer ersten Basiszone, einer zweiten Basiszone und einer zweiten Emitterzone, mit im Halbleiterkörper eingebauten Goldatomen, mit einer Steuerelektrode auf der ersten Basiszone und mit einer ersten Emitterelektrode auf der ersten Emitierzone und einer zweiten Emitterelektrode auf der zweiten Basiszone, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10) 150 bis 200 μπι dick ist, daß die zweite Basiszone (13) eine Dicke von 70 bis 110 μπι und einen spezifischen Widerstand von größer als 6 Ohm cm aufweist, daß die maximale Dotierungskonzentration der ei-sten Basiszone (12) 10'" bis i0^I9cm-^J und die Konzentration in der ersten Emitterzone (11) an der von der zweiten Basiszone abgewandten Seite 5xlO¹⁹ bis 5XlO²⁰ cm-¹ ist, daß in der zweiten Basiszone 10¹⁴ bis 10¹⁵ Atome cm-³ Gold eingebaut sind und daß mit der ersten (11) und der zweiten Emitterzone (14) je eine Metallschicht (17 bzw. 15) oder eine Metallscheibe (23 bzw. 15) verbunden ist, die mindestens so dick wie der Halbleiterkörper (10) ist

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Emitterelektroden (21, 28) je eine Scheibe (23, 15) aus Silber, Kupfer, Eisen oder einem anderen gutleitenden Metall durch Anlegieren oder Löten verbunden ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die erste Emitterelektrode (21) und die Steuerelektrode (22) eine Schicht Lotmetall (16, 17) aufgebracht ist.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (16,17) 300 μπι dick ist.

5. Verfahren zum Herstellen eines Thyristors nach Anspruch I mit einer Metallschicht auf der ersten Emitterelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Dotieren des Halbleiterkörpers (10) und dem Anbringen der ersten Emitterelektrode (21) und der Steuerelektrode (22) auf diese eine einzige Scheibe (25) aus Lotmetall aufgelegt wird, daß diese Scheibe Ausnehmungen (26) aufweist, die die Fläche zwischen Steuerelektrode (22) und Emitterelektrode (21) teilweise frei lassen, so daß der auf der Emitterelektrode und Steuerelektrode liegende Teil der Scheibe nur durch schmale Stege (27) miteinander verbunden ist, und daß die Scheibe auf die Schmelztemperatur erhitzt wird.